基坑開挖對坑內(nèi)工程樁的影響及保護(hù)措施研究

上海中環(huán)投資開發(fā)（集團(tuán)）有限公司 上海 200060

1 研究背景

基坑工程在施工過程中，對坑底土是一個(gè)卸載的過程，因而會(huì)造成坑底土體回彈隆起，而且基坑開挖深度越大，坑底土體的回彈隆起也就越明顯。由于土體的隆起，對樁體產(chǎn)生了向上的摩阻力，從而導(dǎo)致工程樁上浮，樁身受拉（圖1）[1-3]。這種效應(yīng)不可忽視，嚴(yán)重時(shí)工程樁可能會(huì)被拉斷。如上海某基坑開挖深度13 m，基樁采用長30～37 m鉆孔灌注樁，基坑開挖完成后，基樁檢測結(jié)果表明，約30%工程樁在樁身中部發(fā)生斷裂，造成了嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷[4]；廣東東莞市某基坑開挖深度5.0 m，采用長12～20 m PHC管樁，基坑開挖完成后經(jīng)高應(yīng)變測試，40%的樁基承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，使工程一度陷入癱瘓[5]。

圖1 受回彈影響的基樁受力情況

為了研究工程樁在基坑開挖過程中受到的影響，筆者采用有限差分軟件FLAC對這一過程進(jìn)行了模擬。相比于一般的有限元分析軟件，F(xiàn)LAC能夠更合理地模擬材料的塑形破壞和塑形流動(dòng)，并且對于大變形的情況也有較好的計(jì)算效果，因而對巖土工程較為適用[6]。

在民用建筑的基坑施工中，涉及得較多的是1層或2 層地下室，其開挖深度一般為5～10 m，故本文選取開挖深度為10 m的基坑工程作為本文的研究對象。

2 數(shù)值模型的建立

所研究的基坑工程地處上海，其開挖深度為10 m，圍護(hù)樁長度22 m，插入比為1∶1.2。工程樁先于圍護(hù)樁進(jìn)行施工，長度為30 m。工程樁距圍護(hù)樁的水平距離為4 m。選取基坑的一個(gè)斷面進(jìn)行研究，并利用對稱性，選取基坑斷面的1/2作為分析對象，開挖寬度為15 m?；硬捎? 道鋼筋混凝土支撐。

為減小計(jì)算中邊界效應(yīng)的影響，模型寬度取為3 倍的基坑開挖寬度，模型底部距工程樁樁底20 m。模型尺寸為45 m×60 m。土體網(wǎng)格尺寸1 m×1 m。模型約束條件為底邊界固定約束，左右邊界水平方向約束，上邊界自由，如圖2所示。

圍護(hù)樁和工程樁采用beam單元模擬，并通過接觸面單元與兩邊土體進(jìn)行連接。支撐同樣采用beam單元模擬，支撐的左節(jié)點(diǎn)同圍護(hù)樁的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固結(jié)，右節(jié)點(diǎn)約束水平方向位移。土體本構(gòu)模型采用 Mohr-Coulomb模型。

3 算例參數(shù)的確定

土層為上海典型土層，場地土層從上到下依次為：①填土、②黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1黏土、⑤2粉質(zhì)黏土、⑥暗綠色粉質(zhì)黏土、⑦粉砂、⑧黏土。土的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，其計(jì)算參數(shù)見表1。

圖2 FLAC模型及網(wǎng)格

表 1 土體參數(shù)

圍護(hù)樁采用Φ700 mm@1 000 mm的鉆孔灌注樁，樁長22 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，工程樁采用Φ700 mm的鉆孔灌注樁，送樁至坑底，有效樁長30 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。基坑采用2 道鋼筋混凝土支撐，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，第1道支撐距坑頂1 m，第2道支撐距第1道支撐4 m且距離坑底5 m，2 道支撐的截面均為800 mm×800 mm?？紤]坑邊6 m范圍內(nèi)有施工超載10 kN/m2。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

本基坑工程可以劃分為3 個(gè)開挖工況：

工況1：開挖至地表以下1 m，并設(shè)第1道支撐；

工況2：開挖至地表以下5 m，并設(shè)第2道支撐；

工況3：開挖至地表以下10 m，基坑開挖完成。

通過對各個(gè)工況的模擬計(jì)算，可以得出工程樁的位移及受力情況。

4.1 樁頂豎向位移

不同開挖工況下，工程樁的樁頂豎向位移見表2（向上為正）。可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，坑底土體卸載回彈，工程樁的樁頂豎向位移逐漸增加 ，最大時(shí)達(dá)到17.48 mm。

4.2 樁身軸力

表2 各工況時(shí)的樁頂豎向位移

不同開挖工況下，工程樁的樁身軸力見圖3（受拉為正）。因工況1對樁身軸力的影響較小，故圖中只標(biāo)明了工況2和工況3下的樁身軸力。由圖3可以看出，當(dāng)基坑開挖卸載時(shí)，工程樁樁身受到了較大的拉力作用，且隨著開挖深度的逐漸增大，樁身所受到的拉力不斷增大，當(dāng)開挖到10 m時(shí)，樁身最大軸力達(dá)到了313.5 kN。此樁身所受上拔力，基本達(dá)到了樁身抗拉強(qiáng)度（僅考慮預(yù)應(yīng)力承受拉力）。因此，對地下2層的地下室來說，當(dāng)采用PHC管樁作為抗拔樁時(shí)，管樁的直徑應(yīng)采用500 mm及以上的樁型。

圖3 各工況下的樁身軸力

4.3 樁側(cè)摩阻力

不同開挖工況下，工程樁的樁側(cè)摩阻力見圖4（向上為正）。由圖4可知，基坑開挖時(shí)，樁身上部受到向上的正摩阻力，樁身下部受到向下的負(fù)摩阻力，在樁身中間位置出現(xiàn)中性點(diǎn)。且與圖3比較可知，中性點(diǎn)的位置對應(yīng)于樁身最大軸力的位置，此位置位于坑底以下12.5 m處。

5 對工程樁的保護(hù)措施

根據(jù)上海地區(qū)的基坑工程施工經(jīng)驗(yàn)，在基坑施工中，對工程樁的抗隆起保護(hù)，主要要注意以下2 點(diǎn)：

（a）保證工程樁足夠的插入深度。工程樁的施打必須滿足設(shè)計(jì)要求，樁底需插入持力層足夠的深度，保證工程樁在基坑挖土卸載時(shí)不會(huì)發(fā)生較大的位移。

（b）對坑底土體進(jìn)行加固?；庸こ讨谐Ｒ姷目拥淄馏w加固措施主要包括雙軸/三軸水泥土攪拌樁法、注漿法、高壓旋噴法[7,8]。通過對坑底土體的加固，可以增強(qiáng)土體的強(qiáng)度，減少坑底土體的回彈，從而起到了保護(hù)工程樁的作用。

其中，雙軸/三軸水泥土攪拌樁法由于其造價(jià)經(jīng)濟(jì)，且適宜于軟土，因而在上海地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。

6 水泥土攪拌樁加固效果分析

對于本工程案例，擬采用水泥土攪拌樁法進(jìn)行坑底土體加固。為對比研究，采用了2 種加固方式。一種方式是加固寬度取8 m，加固深度取4 m；另一種方式是加固寬度取4 m，加固深度取8 m（圖5）。

圖5 水泥土攪拌樁的2 種加固方式

6.1 水泥土攪拌樁計(jì)算參數(shù)

采用雙軸水泥土攪拌樁，水泥摻入量為13%，水泥土的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如表3所示，各參數(shù)表示同表1。

表3 水泥土計(jì)算參數(shù)

6.2 樁頂位移計(jì)算結(jié)果

以開挖10 m為參照標(biāo)準(zhǔn)，將各種加固方式下工程樁的豎向位移加以比較，見表4。由表4可知，采用8 mm×4 mm的加固方式，其控制效果要略好于采用4 mm×8 mm的加固方式。

表4 各種加固方式后的樁頂豎向位移

6.3 樁身軸力計(jì)算結(jié)果

以開挖10 m為參考標(biāo)準(zhǔn)，將2 種加固方式下工程樁的樁身軸力加以比較，如圖6所示。從圖6可看出，坑底采用8 m×4 m（寬×深）的加固方式，工程樁所受上最大拔力為260.7 kN，而采用4 m×8 m的加固方式，工程樁所受上最大拔力為273.0 kN。這也進(jìn)一步證明，采用寬度較大型式的加固效果優(yōu)于采用深度較大型式的加固效果。

圖6 各種加固方式下的樁身軸力

7 結(jié)語

（a）基坑開挖的回彈隆起會(huì)對工程樁產(chǎn)生上拔的側(cè)摩阻力，從而導(dǎo)致預(yù)先施工的工程樁上浮，并且使樁身受拉。隨著開挖的不斷加深，工程樁的位移和樁身所受拉力也不斷增大。因此，在工程樁的抗拔或抗壓設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮卸土導(dǎo)致坑底土的回彈而引起工程樁承受上拔力的不利工況，適當(dāng)加大工程樁的樁身配筋。

（b）在保證工程樁足夠的插入深度的情況下，并在基坑施工時(shí)對坑底土體進(jìn)行一定的加固，可以起到保護(hù)工程樁的作用，從而減小基坑施工過程中坑底土體回彈對工程樁的不利影響。

（c）水泥土攪拌樁是一種軟土地區(qū)常用的坑底加固形式。通過計(jì)算的對比，表明在同樣的水泥土方量下，采用寬8 m、深4 m的加固方式，比采用寬4 m 、深8 m的加固方式能更有效地保護(hù)工程樁的安全。